【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及結構設計領域，尤其涉及一種面向旋壓-增材復合制造的帶筋筒體拓撲優化方法。
技術介紹
1、帶筋薄壁筒體結構性能受到包括蒙皮厚度、筋條布局、筋條高度等設計參數的影響，通過對上述參數進行優化設計，可顯著提升其力學性能及輕量化程度。現有的帶筋薄壁筒體設計多為均勻規則的正置正交、斜置正交或等邊三角形等布局，這種事先指定筋條布局形式的設計方法大大限制了結構設計空間，存在設計余量大、輕量化程度不足的問題。而拓撲優化是一種由功能需求出發、由仿真驅動的結構設計方法，可逐點決定材料有無，在給定約束條件內最大程度提升結構性能。將拓撲優化技術與薄壁筒體結構設計相結合的設計方法，可以避免預先指定筋條布局形式所帶來的設計能力限制，盡可能挖掘設計空間內的新穎筋條構型，從而獲得力學性能優異的輕量化帶筋薄壁筒體結構。
2、旋壓成形是一種將空心筒坯固定在旋壓機的模具上，在筒坯隨機床主軸轉動的同時，用旋輪加壓于筒坯材料，使之產生局部塑性變形的制造工藝，如圖2所示。該工藝具有成形載荷小、加工精度高、材料利用率高等優勢，不僅可以用于光壁筒體類構件加工，也可以用于帶內筋薄壁筒形件整體化成形制造，滿足空天裝備上高性能構件輕量化制造需求。與傳統鍛造筒坯+銑削加工的成形方式相比，采用旋壓制造工藝加工筒體，可避免大量材料被切除浪費、長時間機加工導致生產效率低、金屬流線被切斷使得構件強度降低、機械加工引起殘余應力再平衡導致外形精度差等問題的出現。但受旋壓工藝限制，筋條成形高度有限。在旋壓筒體基礎上，通過增材制造工藝(如圖3所示)實現高筋或局部凸臺結構成形，
3、因此，本領域的技術人員致力于開發一種面向旋壓-增材復合制造的帶筋筒體拓撲優化方法。
技術實現思路
1、有鑒于現有技術的上述缺陷，本專利技術所要解決的技術問題是現有的基于工程經驗的帶筋筒體設計方法，預先制定筋條布局，存在設計空間受限、輕量化程度不足的問題。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種面向旋壓-增材復合制造的帶筋筒體拓撲優化方法，所述方法對面向旋壓-增材復合制造的帶筋薄壁筒體的拓撲結構進行優化設計，所述方法包括以下步驟：
3、s101：針對待設計的所述帶筋薄壁筒體，定義設計區域和非設計區域，并設置材料的物性參數；
4、s103：初始化設計變量，所述設計變量包括間接表示筋條材料有無的設計變量和表示筋條設計高度的設計變量；
5、s105：引入尺寸約束方法，計算所述筋條的背景物理密度，使所述筋條滿足旋壓制造的尺寸要求；
6、s107：將背景物理密度設計變量和筋條高度設計變量映射為筋條的旋壓設計變量和增材設計變量；
7、s109：對帶筋薄壁筒體結構進行靜力學分析和線性屈曲分析，獲得各階線性屈曲因子和屈曲模態；
8、s111：計算帶筋薄壁筒體結構的各個設計響應，并分析各個設計響應對設計變量的靈敏度；
9、s113：通過迭代優化算法求解拓撲優化模型，得到更新的設計變量和蒙皮厚度；
10、s115：對優化結果進行后處理，基于后處理結果建立優化后的所述帶筋薄壁筒體的結構。
11、進一步地，在所述步驟s101中，在定義所述設計區域和所述非設計區域時，用有限元網格對所述帶筋薄壁筒體的區域進行離散，定義蒙皮所在區域為蒙皮設計域，待加筋區域為筋條設計域，上下兩端端框為筋條非設計域。
12、進一步地，在所述步驟s103中，在初始化間接表示筋條材料有無的設計變量時，按照如下規則進行：
13、若背景單元i屬于必須有筋條的非設計域，則將所述單元的所述設計變量的分量初始化為1；
14、若背景單元i屬于不允許布置筋條的非設計域，則將所述單元的所述設計變量的分量初始化為0，且在后續優化迭代中保持不變；
15、其余設計域內筋條設計變量介于0和1之間。
16、進一步地，在所述步驟s103中，在初始化表示筋條設計高度的設計變量時，對所述設計變量進行歸一化處理，使所述設計變量介于0和1之間，將所述設計變量設置為筋高占徑向單元總高度的比值。
17、進一步地，在所述步驟s105中，通過密度過濾和投影方法，將間接表示某單元筋條有無的設計變量轉化為直接表示所述單元筋條有無的背景物理密度，所述背景物理密度在分布數學上自然地滿足旋壓制造對筋條最小尺寸、最小間距和最大尺寸的要求，并將所述背景物理密度轉化為筒體上對應單元的等高筋條物理密度，所述等高筋條物理密度和所述背景物理密度滿足線性映射關系：
18、
19、其中，為筒體上某單元的等高筋條物理密度，為表示某單元筋條有無的背景物理密度，l為映射矩陣，m,n為單元數量。
20、進一步地，在所述步驟s107中，基于可旋壓最大高度表征模型，構建旋壓-增材筒體參數化設計模型，對所述設計模型中筋條設計變量場中筋高大于最大可旋壓高度的部分，通過增材工藝實現制造；
21、所述筋條旋壓設計變量為：
22、
23、所述筋條增材設計變量為：
24、ρa＝max(ρ-ρs,0)；
25、其中，
26、
27、在上述公式中，為最大筋條高度，ρ為筋條物理密度場，為筒體上某單元的等高筋條物理密度，為筒體結構的單元密度，表示與單元e距離不超過d/2的單元集合,d為距離參數，xi，xe為單元i和單元e的坐標，tanh為雙曲正切函數，β為投影參數陡度，控制網格邊界清晰程度，ηij為投影閾值，等于第i個背景網格對應的第j個單元在筋高方向的歸一化坐標值，ω為筋條設計域。
28、進一步地，在所述步驟s109中，在靜力學分析中，采用如下靜力學方程：
29、ku＝f；
30、在線性屈曲分析中，采用如下有限元仿真公式：
31、
32、其中，k為筒體結構的彈性剛度矩陣，u為節點位移矢量，f為載荷矢量，g為幾何剛度矩陣，與節點位移矢量u相關，λi(i＝1,2,…,k)為各線性屈曲因子，為對應的屈曲模態，k為屈曲模態的數量。
33、進一步地，在所述步驟s111中，在分析各個設計響應對設計變量ρ的靈敏度時，采用鏈式法則計算各設計響應對設計變量ρ的靈敏度，所述鏈式法則為：
34、
35、其中，μ為表示筋條材料有無的設計變量，h為表示筋條設計高度的設計變量，i，j，k為單元編號，n為單元數量。
36、進一步地，在所述步驟s113中，求解的所述拓撲優化模型為：
37、
38、其中，μ為表示筋條材料有無的設計變量，h為表示筋條設計高度的設計變量，tadd為蒙皮厚度，v為筒體的總體積，λ1為一階屈曲因子，λ*為一階屈曲因子期望值。
39、進一步地，在所述步驟s115中，在對優化結果進行后處理時，如果表示單元i有無結構的背景本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種面向旋壓-增材復合制造的帶筋筒體拓撲優化方法，其特征在于，所述方法對旋壓-增材復合制造的帶筋薄壁筒體的拓撲結構進行設計優化，所述方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟S101中，在定義所述設計區域和所述非設計區域時，用有限元網格對所述帶筋薄壁筒體的區域進行離散，定義蒙皮所在區域為蒙皮設計域，待加筋區域為筋條設計域，上下兩端端框為筋條非設計域。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步驟S103中，在初始化間接表示筋條材料有無的設計變量時，按照如下規則進行：
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步驟S103中，在初始化表示筋條設計高度的設計變量時，對所述設計變量進行歸一化處理，使所述設計變量介于0和1之間，將所述設計變量設置為筋高占徑向單元總高度的比值。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步驟S105中，通過密度過濾和投影方法，將間接表示某單元筋條有無的設計變量轉化為直接表示所述單元筋條有無的背景物理密度，所述背景物理密度在分布數學上自然地滿足旋壓制造對筋條最小尺寸
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟S107中，基于可旋壓最大高度表征模型，構建旋壓-增材筒體參數化設計模型，對所述設計模型中筋條設計變量場中筋高大于最大可旋壓高度的部分，通過增材工藝實現制造；
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步驟S109中，在靜力學分析中，采用如下靜力學方程：
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步驟S111中，在分析各個設計響應對設計變量ρ的靈敏度時，采用鏈式法則計算各設計響應對設計變量ρ的靈敏度，所述鏈式法則為：
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟S113中，求解的所述拓撲優化模型為：
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步驟S115中，在對優化結果進行后處理時，如果表示單元i有無結構的背景物理變量的取值大于預設的閾值，則所述背景物理變量設置為1，否則設置為0；
...【技術特征摘要】
1.一種面向旋壓-增材復合制造的帶筋筒體拓撲優化方法，其特征在于，所述方法對旋壓-增材復合制造的帶筋薄壁筒體的拓撲結構進行設計優化，所述方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟s101中，在定義所述設計區域和所述非設計區域時，用有限元網格對所述帶筋薄壁筒體的區域進行離散，定義蒙皮所在區域為蒙皮設計域，待加筋區域為筋條設計域，上下兩端端框為筋條非設計域。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步驟s103中，在初始化間接表示筋條材料有無的設計變量時，按照如下規則進行：
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步驟s103中，在初始化表示筋條設計高度的設計變量時，對所述設計變量進行歸一化處理，使所述設計變量介于0和1之間，將所述設計變量設置為筋高占徑向單元總高度的比值。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步驟s105中，通過密度過濾和投影方法，將間接表示某單元筋條有無的設計變量轉化為直接表示所述單元筋條有無的背景物理密度，所述背景物理密度在分布數學上自然地滿足旋壓制造...
【專利技術屬性】
技術研發人員：周明東，趙亦希，金隼，于忠奇，毛弘江，賴章龍，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：
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